Больше значит лучше — принцип, который является полной противоположностью одной из основных догм современных технологий — минитюаризации. Когда-то компьютеры занимали целые этажи, работали медленно, но все же по праву считались чудом технологического прогресса. Сейчас же в умных часах может быть больше вычислительной мощности при гораздо меньших габаритах. К сожалению, далеко не всегда удается сделать что-то меньше, при этом улучшив или хотя бы сохранив прежние характеристики. Ярким примером тому являются OLED. Классическая оптика предполагает, что уменьшение эффективных светоизлучающих пикселей до масштаба собственной длины волны света не должно работать. Однако ученым из Вюрцбургского университета (Вюрцбург, Германия) удалось создать самый маленький в мире органический светодиод (OLED) без потери яркости. Из чего был сделан этот OLED, какими характеристиками он обладает, и где может быть использован? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.

Основа исследования

В технологиях органических полупроводников вертикальные многослойные архитектуры обеспечивают точный контроль над оптоэлектронными свойствами, находя применение от органических светодиодов (OLED от organic light-emitting diode) до органических фотодетекторов и вертикальных органических транзисторов. Последние технологические достижения в основном обусловлены продолжающейся миниатюризацией этих компонентов. Примерами являются миниатюризированные транзисторные структуры для систем «лаборатория на чипе», микро-OLED для оптогенетической стимуляции и, что наиболее важно, микро-OLED пиксели для дисплеев виртуальной реальности (VR от virtual reality) и дополненной реальности (AR от augmented reality). Поскольку дисплеи AR и VR используются в носимых устройствах, они, как правило, требуют малых форм-факторов и низкого энергопотребления без ущерба для качества изображения из-за так называемого эффекта «сетки». Это требует плотности пикселей более 6000 пикселей на дюйм. Хотя неорганические светодиоды обладают высокой яркостью и хорошо подходят для приложений дополненной реальности, при уменьшении их размеров до (суб)микрометрового диапазона возникают существенные проблемы с производством и потери эффективности. В отличие от них, OLED-дисплеи стали основным решением благодаря масштабируемости производства, экономичности и совместимости с полупроводниковыми процессами. Более того, их характеристики ламбертовского излучения и высокие энергии связи экситонов (до 1 эВ) в органических полупроводниках упрощают уменьшение размеров. Технология Micro-OLED основана на OLED-пикселях с верхним излучением, изготовленных на подложках из комплементарного металл-оксидного полупроводника (CMOS от complementary metal-oxide semiconductor), при этом самые маленькие зарегистрированные размеры пикселей находятся в диапазоне от 1 до 10 мкм.

Изображение №1

В рассматриваемом нами сегодня труде ученые попытались создать субволновые пиксели для применения в сложных дисплеях ближнего действия (например, дисплеях светового поля) и в фотонных интегральных схемах. Субволновая миниатюризация влечет за собой критические эффекты масштабирования, что делает практически невозможным простое уменьшение размеров устройств без учета этих явлений. В органических устройствах лишь в немногих исследованиях рассматривались перенос и рекомбинация носителей заряда в наноразмерных переходах, но ни в одном из них не были реализованы наноэлектроды, которые необходимы для индивидуального управления наноразмерными OLED-дисплеями в приложениях для дисплеев. Однако индивидуальная адресация представляет собой ключевую проблему. Острые края наноэлектродов создают интенсивные локальные электрические поля, которые искажают барьеры Шоттки и, таким образом, изменяют или даже модифицируют механизмы инжекции носителей заряда. Например, доминирующий вклад туннелирования в общую инжекцию носителей заряда для диодов < 100 нм накладывает серьезные ограничения на производительность устройств на основе органических полупроводников с низкой подвижностью носителей заряда. Локальное усиление электрического поля может привести к образованию зон высокой плотности тока и несбалансированному переносу заряда по всему устройству (1C), а также к образованию металлических нитей, вызывающих нестабильную работу, если не отказ всего устройства (вставка на 1C). Эти эффекты могут быть дополнительно усилены литографическими краевыми дефектами, характерными для наноизготовленных электродов. Миниатюризация также ограничивает светоотдачу. Излучаемая мощность пикселя OLED уменьшается с (l/λ)2, где l — размер пикселя, а λ — длина волны излучения, что приводит к серьезной оптической неэффективности в субволновом масштабе. Недавно сообщалось об интеграции активных субволновых плазмонных наноантенных электродов в расположенные сбоку нанопиксели OLED (нано-OLED), а также было продемонстрировано усиление излучения за счет эффектов связи с антеннами. Однако устройства страдали от локального роста нитей, вызванного полем, и последующего преждевременного выхода устройства из строя, а современные многослойные органические конструкции со всеми их преимуществами не могли быть использованы.

В данном труде представлена архитектура OLED, которая сочетает вертикальное размещение устройств с латерально определенными плазмонными наноантенными электродами, подавляя при этом эффекты локальных максимумов поля на острых краях. В отличие от более ранних работ, в которых пассивные плазмонные рассеиватели, интегрированные в стандартные OLED, использовались только для противодействия волноводному распространению, новая концепция (1A, 1B) позволяет создавать индивидуально адресуемые, стабильные и эффективные субволновые пиксели.

Был использован изолирующий слой, покрывающий электрод, но имеющий наноапертуру в его центре, чтобы подавить инжекцию дырок с краев наноэлектрода путем изоляции его периферийных углов и краев (1A, 1B). Это эффективно смягчает негативные эффекты, вызванные локальными максимумами электрического поля в этих областях (1C), и приводит к стабильной работе устрой��тва со сбалансированным переносом носителей заряда и динамикой рекомбинации (1B). Экситоны на эмиттерных участках взаимодействуют с плазмонными модами золотой патч-антенны, используемой в качестве нижнего анода, которая излучает через стеклянную подложку в дальнее поле. В результате были получены нано-OLED размером 300 × 300 нм. Эти нанопиксели стабильны даже при высоких плотностях тока и достигают внешней квантовой эффективности (EQE от external quantum efficiency) в диапазоне 1%, максимальной яркости 3000 кд/м2 и скорости переключения пикселей, превышающей стандартную частоту кадров видео (например, 60 кадров/с).

Результаты исследования

Сначала были продемонстрированы устройства, работающие только с дырками, на основе золотых пластин размером 1 × 1 мкм, чтобы показать эффективность использования золота в качестве анодного материала. Для создания полноценных OLED-дисплеев ученые затем уменьшили размеры отдельных адресуемых золотых пластин до 300 × 300 нм, чтобы обеспечить вывод света через плазмонные моды патч-антенны наноэлектрода.

Золотые наноэлектроды с наноапертурой

Электростатическое моделирование квадратного электродного участка размером 1 × 1 мкм показывает трехкратное усиление электрического поля на краях электрода и шестикратное усиление электрического поля в углах по сравнению с центром электрода. Квадратные золотые наноэлектроды изготавливаются с использованием стандартной электронно-лучевой литографии (EBL от electron beam lithography) и термического испарения металла. Для достижения равномерного электрического поля, позволяющего контролируемо вводить заряд в плоские участки электрода, крайне важна высококачественная тонкая металлическая пленка с минимальной шероховатостью поверхности. Использовалась скорость испарения 1.5 нм/с в условиях высокого вакуума для осаждения 50-нм золотой пленки, что приводит к среднеквадратичной шероховатости поверхности 1 нм. Для подавления прикрепления частиц и образования шероховатых металлических краев, присущих традиционным процессам электронно-лучевой литографии, использовался двухслойный поли(метилметакрилат) (PMMA от poly(methyl methacrylate)) (PMMA 600К/950К) в качестве позитивного резиста. Такой подход создает контролируемый профиль подтравливания во время проявления резиста, тем самым эффективно минимизируя структурные дефекты на краях наноэлектрода после удаления. Для изоляции краев и углов использовался второй процесс электронно-лучевой литографии с применением высокоразрешающего негативного резиста на основе гидрогенсилсесквиоксана (HSQ от hydrogen silsesquioxane) для создания изолирующего слоя с центрированным наноотверстием поверх золотого наноэлектрода, как показано ниже.

Изображение №2

С этой целью была применена градиентная доза электронного пучка по всей поверхности пикселя антенны, варьирующаяся от нуля в центре электрода до полной дозы на краях электрода (2A). Это позволяет точно контролировать форму и глубину образующейся центральной наноапертуры после последующего удаления неэкспонированного резиста HSQ с помощью гидроксида тетраметиламмония (TMAH от tetramethylammonium hydroxide). Успешное открытие наноапертуры подтверждается методом AFM (от atomic-force microscope, т. е. сканирующий зондовый микроскоп) в режиме касания (2B, 2D). Кроме того, оставшаяся контактная площадка изолирована для предотвращения любых потенциальных токов утечки. Для получения чистой, открытой наноапертуры использовалось мягкое окислительное травление к открытой золотой части электрода с использованием сильно разбавленного раствора Люголя. Измерения проводимости методом АСМ (2C) показали, что проводящая область точно совпадает с наноапертурой и, таким образом, позволяет осуществлять латерально определенную инжекцию дырок. Данный подход одинаково эффективен и для более мелких электродных участков размером 300 на 300 нм.

Устройства, работающие только с дырками

Чтобы подтвердить, что золотые патч-антенны с наноапертурами могут работать в качестве электродов для инжекции дырок, были изучены устройства, работающие только с дырками, с анодом, инжектирующим дырки, и катодом, блокирующим электроны, которые, как ожидается, обеспечат однополярный транспорт дырок через органический полупроводниковый материал. Характеристики нанопереходов, изготовленных на основе электродных патчей сравниваются с характеристиками обычных макропереходов с активной площадью 100 × 100 мкм. Активная площадь нанопереходов (2.4 × 10−9 см2) на пять порядков меньше, чем у макроперехода (1.0 × 10−4 см2), а краевые эффекты в макропереходе пренебрежимо малы. Общая структура устройств, работающих только с дырками, и сопоставление свойств макро- и нанопереходов показаны ниже.

Изображение №3

N,N′-ди(1-нафтил)-N,N′-дифенил-(1,1′-бифенил)-4,4′-диамин (NPB; молекулярная структура показана на 3A) был выбран в качестве органического материала для переноса дырок благодаря его хорошо изученным электронным свойствам и его использованию во многих стандартных приложениях OLED. Архитектура многослойной структуры устройства и энергетический ландшафт плоской зоны показаны на 3B. Ожидается, что работа выхода поликристаллических золотых электродов будет находиться в диапазоне от −4.4 до −4.7 эВ. Уровень высшей занятой молекулярной орбитали (HOMO от highest occupied molecular orbital) NPB находится на уровне −5,4 эВ, а уровень низшей незанятой молекулярной орбитали (LUMO от lowest unoccupied molecular orbital) — на уровне −2.4 эВ. Несоответствие уровня LUMO NPB с работой выхода Au позволяет использовать Au также в качестве верхнего электрода, блокирующего электроны. 1,4,5,8,9,11-Гексаазатрифениленгексакарбонитрил (HAT-CN; молекулярная структура показана на 3A) используется для функционализации нижнего контакта Au. Выравнивание энергетических уровней на границе раздела Au/HAT-CN/NPB определяется фиксацией уровня Ферми LUMO HAT-CN и HOMO NPB. Общая архитектура устройства (3B) включает Au(50 нм)/HAT-CN(5 нм)/NPB(135 нм)/Au(140 нм). Принцип работы с приложенным напряжением, превышающим встроенное напряжение (V > VBI), показан на 3C. Инжекция дырок осуществляется через золотой электрод в сочетании с интерфейсным слоем HAT-CN, а инжектированные дырки транспортируют��я через HOMO NPB. Инжекция электронов с верхнего электрода предотвращается за счет большого барьера Шоттки между уровнем Ферми золота и LUMO NPB.

Эффективность функционализации интерфейса HAT-CN демонстрируется вольт-амперными характеристиками (J-V), зарегистрированными для макропереходного устройства с функционализацией HAT-CN и без нее. После функционализации HAT-CN наблюдается увеличение тока дырок до шести порядков величины при 10 В с небольшим напряжением начала инжекции дырок всего 0.9 В. Функционализация ультратонким слоем HAT-CN приводит к заметному снижению барьера инжекции дырок из-за фиксации уровня Ферми и связанного с этим межфазного диполя, что делает поликристаллические золотые электроды превосходной платформой для инжекции дырок в последующих устройствах.

На 3D показано сравнение вольт-амперных характеристик нано- и макропереходов. Отклонение плотности тока при 0 В между макро- и нанопереходом связано с работой наноперехода ниже инструментального разрешения измерительного блока, составляющего около 1 пА. Оценочное напряжение начала инжекции дырок составляет 1.1 В для макроперехода и 1.9 В для наноперехода соответственно. Небольшая разница может быть объяснена большей вероятностью инжекции дырок и токовых зон в макроскопическом устройстве, а также различными условиями обработки золотых электродов, которые могут изменять работу выхода поликристаллической поверхности золота и барьер инжекции дырок. Нанопереход стабилен в диапазоне напряжений от 20 до −20 В, в то время как макропереход стабилен только в диапазоне от 12 до −12 В, демонстрируя электрический пробой при более высоких напряжениях. Более высокая стабильность наносоединения по сравнению с макросоединением объясняется тем, что вероятность дефектов электрода и образования нитей пропорциональна площади устройства. Это также дополнительно подтверждает эффективность используемого процесса блокировки краев и углов.

При 10 В плотность тока достигает 1 и 4 А/см2 для наноперехода и макроперехода соответственно. Довольно небольшое отклонение подтверждает чистоту активной области после изготовления наноапертуры и окислительной очистки. Более высокая плотность тока в макропереходе, вероятно, обусловлена неоднородным переносом заряда по низкоомным путям. Нанопереход работает с абсолютным током всего 10 нА при 10 В, что на пять порядков ниже, чем у макроперехода (1 мА).

Эффективная инжекция дырок через золотой наноэлектрод является необходимым условием для эффективного светоизлучения в структурах OLED, где желательны плотности тока в диапазоне от 1 × 10−3 до 1 × 10−1 А/см2 при низких рабочих напряжениях. Коэффициент блокировки, определяемый отношением плотности тока в прямом и обратном направлениях смещения, составляет 8 × 102 (при 20 В) для наноперехода по сравнению с 5 × 103 (при 10 В) для макроперехода. Более низкий коэффициент блокировки для наноперехода объясняется небольшим искривлением верхнего золотого контакта, вызванным топологией поверхности наноапертуры под ним.

Это подтверждается вольт-амперными характеристиками нанопереходов только с дырками различного диаметра. Предполагается, что меньший диаметр наноапертуры вызывает более выраженную кривизну на верхнем контакте, что приводит к большему току утечки, выражающемуся в меньшем коэффициенте блокировки в соответствующих вольт-амперных характеристиках. Ученые аппроксимировали вольт-амперные характеристики, основываясь на предположении о модели тока, ограниченного пространственным зарядом, в сочетании с переносом носителей заряда типа Пула-Френкеля, причем последний учитывает, например, захват и высвобождение носителей заряда с помощью электрического поля внутри органического полупроводника:

где ε0 — диэлектрическая проницаемость вакуума, εr — диэлектрическая постоянная NPB, μ0 — подвижность при нулевом поле, V — приложенное напряжение, скорректированное с учетом встроенного напряжения, d — толщина органического слоя, а β — параметр Пула-Френкеля.

При наличии свободных параметров μ0 и β полученные аппроксимирующие функции хорошо согласуются с измеренными вольт-амперными характеристиками в диапазоне от 3 до 8 В как для макроперехода, так и для наноперехода (3E). Диапазон напряжений был ограничен от 3 до 8 В, чтобы избежать заполнения глубоких ловушек (низкие напряжения), а также туннельной инжекции и джоулева нагрева (высокие напряжения). Подвижность дырок в нулевом поле составляет 1 × 10−5 см2/(В/с) для макроперехода и 3 × 10−5 для наноперехода. Значения подвижности хорошо согласуются с литературными значениями NPB в присутствии ловушечных состояний. Параметр Пула-Френкеля (β) сходится к 5 × 10−3 для макроперехода и 2 × 10−3 для наноперехода соответственно. Как более высокая подвижность дырок, так и меньший параметр β могут быть объяснены меньшим абсолютным числом ловушечных состояний и, следовательно, меньшим влиянием на перенос носителей заряда (дырок) в сверхмалом активном объеме наноперехода. Чтобы проиллюстрировать преимущества концепции наноапертуры для стабильности и эффективности устройств, было проведено сравнительное исследование электрических свойств устройств, работающих только с дырками, на основе золотых патч-антенн (1 × 1 мкм) с наноапертурой и без нее (графики ниже).

Изображение №4

Вольт-амперные характеристики (4A) отлично демонстрируют эффективность наноапертуры. В то время как золотые патч-антенны с наноапертурой показывают надежную и детерминированную работу устройства, антенны без наноапертуры демонстрируют нестабильное поведение во время циклирования. Резкие скачки к верхнему пределу тока объясняются миграцией атомов золота, приводящей к образованию низкоомных филаментов, что вызвано трехкратным усилением электрического поля на краях электрода и шестикратным усилением электрического поля в углах электрода. При приложении обратного напряжения золотые филаменты обычно разрушаются, и общий ток снова определяется низкоомными путями. Исследуемое устройство с электродом с наноапертурой не проявляет никакой тенденции к образованию филаментов и демонстрирует лишь небольшой гистерезис в вольт-амперных характеристиках, видимый при прямом смещении.

Для дальнейшей проверки стабильности работы устройства подавалось постоянное напряжение постоянного тока 5 В. Зависимость относительной плотности тока от времени показана на 4B. Устройство без краевой изоляции демонстрирует электрический пробой всего через 3 минуты работы. Относительная плотность тока устройства с наноапертурой остается полностью стабильной в течение всего периода измерения (30 минут).

Изображение №5

Ученые также отмечают, что устройства с наноапертурами демонстрируют выдающуюся воспроизводимость, что подтверждается вольт-амперными характеристиками на графике выше, где синяя область отмечает изменение тока для 30 отдельных переходов. Вольт-амперная кривая, выделенная красным, соответствует нанопереходу, рассмотренному на изображении №3. Изменения тока остаются в пределах одного порядка величины при прямом и обратном смещении 20 В, что указывает лишь на небольшие изменения размера и глубины наноапертуры, а также на высокое качество золотого интерфейса после обработки. Соответственно, 91% (30 из 33) изготовленных нанопереходов демонстрируют стабильность к образованию филаментов, что еще раз демонстрирует преимущества эффективного покрытия краев и качества поверхности в устройствах с наноапертурами. Более того, инкапсулированные устройства демонстрируют устойчивую функциональную целостность в течение как минимум 14 дней в условиях окружающей среды, что подчеркивает стабильность наноэлектродных структур и металлоорганических интерфейсов. Микрофотография, полученная при отражении белого света (вставка на изображении №5), показывает, что изготовление пикселей параллелизовано и готово к дальнейшей интеграции в массивы, подобные дисплеям.

Поскольку конечная цель использования золотых электродов — миниатюризация для создания резонансных плазмонных наноантенн, дополнительно были исследованы меньшие по размеру электродные участки и соответствующие апертуры. Было обнаружено, что эта концепция одинаково эффективна для нанопереходов только с дырками, с размером патч-антенны всего 300 × 300 нм и диаметром наноапертуры 200 нм. Вольт-амперные характеристики сопоставимы с характеристиками электродных участков размером 1 × 1 мкм. Наблюдаемое снижение коэффициента блокировки связано с меньшим диаметром наноапертуры, не оказывая негативного влияния на замечательную стабильность устройства даже при более жестком постоянном напряжении (10 В) в течение 5.5 часов. Таким образом, данный подход отлично подходит для перспективной интеграции резонансных плазмонных патч-антенн с субволновыми размерами в вертикальные органические электронные устройства.

Наноразмерные OLED-пиксели

Для применения концепции наноапертуры к светоизлучающему устройству был изготовлен нано-OLED. Насколько было известно, эти нанопиксели представляют собой первую демонстрацию индивидуально адресуемых субволновых нано-OLED-пикселей с использованием вертикальной многослойной архитектуры. Уменьшив размер пикселя до 300 на 300 нм, удалось обеспечить эффективный вывод света через излучательные плазмонные моды плазмонной патч-антенны.

Изображение №6

Выше представлен общий обзор архитектуры OLED и основных свойств устройства. На 6A показана диаграмма энергии плоской зоны, отражающая соответствующие уровни переноса и рекомбинации в устройстве. Нижний анод состоит из золотого наноэлектрода толщиной 50 нм (300 × 300 нм) с наноапертурным отверстием (диаметром 200 нм). Инжекция дырок обеспечивается интерфейсным слоем HAT-CN толщиной 5 нм, за которым следует слой NPB толщиной 30 нм, выполняющий функцию слоя переноса дырок. В качестве светоизлучающего материала использовался термоактивированный эмиттер замедленной флуоресценции (TADF от thermally activated delayed fluorescence) 2-[4-(дифениламино)фенил]-10,10-диоксид-9H-тиоксантен-9-он (TXO-TPA), внедренный в 1,3-бис(N-карбазолил)бензол (mCP) в качестве основного материала (7 об.%), что представляет собой эффективную и широко используемую комбинацию основного материала и эмиттера. Излучающий слой (30 нм) отделен от верхнего электрода слоем переноса электронов батофенантролина (Bphen) толщиной 75 нм. Плоский верхний катод с инжекцией электронов состоит из 10 нм Ca и 120 нм Al. Асимметричная архитектура устройства предназначена для достижения рекомбинации экситонов на значительном расстоянии от верхнего катода, чтобы избежать тушения катодными слоями. Экситоны, генерируемые в излучающем слое, эффективно взаимодействуют с излучательными плазмонными модами плазмонной золотой антенны, обеспечивая излучение в дальней зоне через стеклянную подложку.

Изготовленные нано-OLED демонстрируют стабильную работу как при прямом, так и при обратном смещении, с выраженной асимметрией J-V (6B). Световое излучение начинается при 5 В, а регистрируемая интенсивность электролюминесценции (EL от electroluminescence) увеличивается с приложенным напряжением (6B). В соответствии с предыдущими результатами для устройств на основе наноапертур, работающих только с дырками, не наблюдается признаков образования филаментов, последующих коротких замыканий или отказов устройства, что подчеркивает надежность и присущую стабильность концепции наноапертур для устройств на основе индивидуально адресуемых наноразмерных электродных участков. Пиксели могут надежно циклически работать при прямом и обратном смещении без отказов.

Были достигнуты высокие значения EQE до 1% (6C) с минимальными вариациями от пикселя к пикселю. Значение EQE в процентном диапазоне указывает на высокую эффективность внутренней рекомбинации, как и ожидалось от высокоэффективного многослойного материала в сочетании с наноапертурой, которая обеспечивает сбалансированную инжекцию носителей заряда даже в наномасштабе. В отличие от них, нано-OLED без наноапертур демонстрируют нестабильность из-за роста металлических нитей или несбалансированной инжекции через края и углы электродов, что приводит к существенно более низким значениям EQE (от 10−4 до 10−2 %).

Примечательно, что нано-OLED устройство достигает исключительной максимальной яркости ~3000 кд/м2, которая еще не насыщена и соответствует характеристикам макроскопических устройств, использующих тот же излучающий материал. Динамический отклик нано-OLED пикселя был дополнительно охарактеризован переходной электролюминесценцией. При подаче прямоугольного импульса 9 В (коэффициент заполнения 10%) с частотой 1 кГц, что значительно выше стандартной частоты кадров видео, устройство демонстрирует быструю динамику переключения со временем нарастания 50 мкс и временем спада 100 мкс.

Эти результаты подтверждают масштабируемость и потенциал применения концепции наноапертуры для нанооптоэлектронных устройств следующего поколения. Как высокая EQE, так и повышенная яркость обусловлены механизмом плазмонно-усиленного излучения.

Изображение №7

Наконец, были проанализированы свойства светоизлучения нано-OLED пикселя. Для количественной оценки эффективности вывода света было проведено электромагнитное моделирование с использованием метода конечных разностей во временной области (FDTD от finite-difference time-domain) на основе упрощенной структуры устройства. В моделировании используются электрические диполи как с вертикальной, так и с горизонтальной ориентацией, представляющие статистически распределенные ориентации экситонных излучателей в излучающем слое. Эти диполи возбуждают плазмонные моды патч-антенны, локализованные в наноапертуре диаметром 200 нм. Чтобы учесть вклад всего диапазона мод золотой патч-антенны, было включено боковое пространственное усреднение положений диполей. Вертикальные диполи преимущественно взаимодействуют с доминирующей модой n22 на длине волны 650 нм (7A, распределение поля на вставке и черная пунктирная линия), в то время как моды более низкого порядка (n21, n11 и n10) вносят вклад вне резонанса за счет спектрального хвоста (серая пунктирная линия на 7A). Совокупный вклад от горизонтально и вертикально ориентированных диполей приводит к общей эффективности вывода света в диапазоне ~5% (сплошная линия на 7A), что согласуется с экспериментально измеренной EQE.

На 7B сравниваются спектр электролюминесценции нано-OLED пикселя со спектром стандартного макроскопического OLED-пикселя (площадь пикселя, 3 мм2) с использованием прозрачных анодов из оксида индия-олова. Свертка стандартного спектра OLED (молекулярное излучение) со спектром эффективности вывода, полученным в результате моделирования (сплошная линия на 7A), точно соответствует измеренному спектру нано-OLED (излучение, связанное с антенной). Формирование спектра за счет плазмонных антенных эффектов подчеркивается разностным спектром излучения, связанного с антенной, и молекулярного излучения.

Для дальнейшего подтверждения плазмонного антенного эффекта в нано-OLED сравнивались их спектры электролюминесценции со спектрами микро-OLED на основе золотых электродов размером 2 × 2 мкм. В то время как спектр микро-OLED точно соответствует макроскопическому спектру OLED из-за красной расстройки плазмонных антенных эффектов, нано-OLED демонстрируют выраженное формирование спектра выше 600 нм благодаря золотым патч-антеннам размером 300 × 300 нм. Это подтверждает, что спектральное формирование излучения TXO-TPA обусловлено связью с плазмонными модами, в частности, с доминирующей модой n22 на длине волны 650 нм. На 7C показано пространственное распределение электролюминесценции нано-OLED пикселя, при этом фактическая площадь пикселя и электрические контакты выделены желтым цветом. По линиям интенсивности определяется полная ширина на половине максимума (FWHM от full width at half maximum) пятна излучения ниже 600 нм, ограниченную оптическим разрешением микроскопа. Эти результаты подчеркивают потенциал концепции плазмонной патч-антенны для высокоинтегрированных технологий OLED-дисплеев.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

В рассмотренном нами сегодня труде ученым удалось создать самый маленький OLED без потери яркости. Используя металлический контакт (золото), позволяющий подавать ток в органический светодиод, одновременно усиливая и излучая генерируемый свет, ученым удалось создать пиксель для оранжевого света на площади всего лишь в 300 × 300 нанометров. При этом яркость этого пикселя соответствует оной у стандартного пикселя OLED размером 5 × 5 микрометров. Для понимания разницы габаритов стоит напомнить, что 1 нм равен 0.001 мкм. Следовательно, если использовать новые пиксели, то экран с разрешением 1920 × 1080 поместиться на площадь всего в 1 мм2.

Технология OLED основана на использовании нескольких сверхтонких органических слоев, расположенных между двумя электродами. Когда через них проходит электрический ток, электроны и дырки рекомбинируют внутри активного слоя. Этот процесс возбуждает органические молекулы, которые затем высвобождают энергию в виде квантов света. Поскольку каждый пиксель излучает собственный свет, отдельная подсветка не требуется. Такая конструкция обеспечивает глубокий черный цвет, яркие цвета и энергоэффективность для устройств дополненной и виртуальной реальности (AR и VR).

Простое уменьшение существующих конструкций OLED не работает на наноразмерном уровне. Авторы исследования обнаружили, что электрический ток не распределяется равномерно, когда структура становится чрезвычайно малой. Как отмечают ученые, простое уменьшение размера существующей концепции OLED привело бы к тому, что токи излучались бы в основном из углов антенны. В результате возникающие электрические поля создавали бы настолько сильные силы, что подвижные атомы золота постепенно врастали бы в оптически активный материал. Эти нитевидные образования, известные как филаменты, продолжали бы расти, пока не вызвали бы короткое замыкание и не разрушили бы пиксель.

Для решения этой проблемы ученые использовали точно спроектированный изоляционный слой над оптической антенной. Этот слой оставляет только круглое отверстие диаметром 200 нанометров в центре. Блокируя протекание тока по краям и углам, конструкция обеспечивает стабильную и надежную работу наносветодиода. В этих условиях предотвращается образование филаментов.

Пока данная разработка еще на раннем этапе, но ее потенциал довольно велик. В будущем ученые намерены продолжить работу, сосредоточившись на повышении производительности и расширении цветового диапазона, чтобы охватить весь спектр RGB.

Немного рекламы

Спасибо, что остаетесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?